靜水壓力卸載法測定應力應變全過程材料參數的方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及±木工程和地質材料實驗測量技術領域，特別設及靜水壓力卸載法測 定應力應變全過程材料參數的方法。
【背景技術】
[0002] 地質材料全過程參數的演化規律的測定是迄今還沒有得到很好解決的科學難題， 其測量的理論和方法還不完善；另外，在偏應力加卸載循環時，根據試驗W加載近似線性段 決定地質材料的參數，往往偏差大，甚至難W確定。
【發明內容】
[0003] =軸試驗測定材料參數已有較長的歷史，而且在循環加載試驗過程中決定巖±體 的材料參數也有較長的歷史，但是，由于現行的測定方法缺乏對靜水壓力在施加偏應力荷 載大于比例極限應力空間后，靜水壓力產生的變形發生了改變該一事實的認識，致使在施 加偏應力荷載大于比例極限應力空間后，在實施加卸載循環時，難W決定相對應的材料參 數。
[0004] 本發明的目的是克服現有技術中存在的缺陷，提出一種基于=軸試驗的靜水壓力 卸載法測定應力應變全過程材料參數的方法。
[0005] 本發明靜水壓力卸載法測定應力應變全過程材料參數的方法，包括如下步驟：
[0006] 1. 1在真；軸試驗中，首先施加靜水壓力，令0 11= 00 22 = 0 238, 0 33 = 0 33H， 靜水壓力和初始應變e 的關系為；
[0007] 。"H= C …/ e "H，i, j e (1，如（1)
[000引式中，為初始剛度矩陣；
[0009] 1. 2施加偏應力q，q = 0 11+。uH-0 iiH;當施加偏應力大于比例極限應力qYieid(即 屈服極限應力空間）時，線性應力-應變關系表示為：
[0010] 。。+。。8=〇山'/￡"似
[0011] 。"H= C …/ e "，i G 化扣，j G (1，扣做 [001引式中，C^jb為超過屈服極限應力空間后的剛度矩陣.
[0013] 對于超過屈服極限應力空間的應力狀態的材料參數，W卸載曲線直線段決定其 大小，且卸載至靜水壓力趨近于零（見圖1中def)，利用公式（2)決定Cuiib，Cu22b，Ci。 3b，利用公式（3)計算得到C2222b，〔22336,〔33336,由剛度矩陣的對稱性可知C22iib= C 1122b，〔22336 =〔33236, C331lb= C 1133b，同時校核C221lb，CssiA C3322b，即計算得到六個材料參數，校核S個材 料參數；在材料為完全各向同性時，
【主權項】
1. 一種靜水壓力卸載法測定應力應變全過程材料參數的方法，其特征在于：當加載應 力大于比例極限應力時，在不同的應力狀態實施卸載直至靜水壓力趨近于零，以卸載曲線 的線性段計算相對應的材料參數；對于孔隙連通材料，對于外界加載應力大于比例極限應 力，且在不排水條件下，在任意應力狀態，以水壓力卸載直至水壓力趨近于零，以水壓力卸 載曲線的線性段計算相對應的材料參數； 具體步驟如下 (1.1)在真三軸試驗中，首先施加靜水壓力，令〇n= 〇 nH，〇22= 〇 22h，〇33= 〇 33h， 靜水壓力和初始應變eJ的關系為： 0 iiH= c iijj0 e jj- i. j G d. 3) (1) 式中，Cm/1為初始剛度矩陣； (1. 2)施加偏應力q，q= 0 n+0 nH-0nH;當施加偏應力大于比例極限應力qYield時，線 性應力-應變關系表示為： 〇 n+〇 nH=Cnjjbej.j ⑵ 〇 nH=ejj,iG(2,3),jG(1,3) (3) 式中，C_b為超過屈服極限應力空間后的剛度矩陣； 對于超過屈服極限應力空間的應力狀態的材料參數，以卸載曲線直線段計算得到其大 小，且卸載至靜水壓力趨近于零，利用公式（2)計算得到Cimb，C1122b，C1133b，利用公式（3)計 算得到C2222b,C2233b,C3333b，由剛度矩陣的對稱性知C2211b=C1122b,C2233b=C3322b,C3311b=c1133b， 同時校核c2211b，c3311b，c3322b，即計算得到六個材料參數，校核三個材料參數；在材料為完全各 向同性時，
1計算得到體積模量cv，
或者三向同 時等量卸載時，計算得到l/cv; (1. 3)對于孔隙連通材料，在飽和條件下，靜水壓力施加完畢后，關掉閥門，實施非排水 試驗，假設Bishop有效應力存在，則公式（2)、公式（3)表述為 0H+ 0nH-anP=CnjJbejj (4) 0ii11-anp=ejj,iG(2, 3),jG(1, 3) (5) 在飽和條件下獲得材料剛度參數Cm/的條件下，利用公式（4)、公式（5)，外加應力〇ii，iG(1，3)恒定，對非排水試驗的水壓力從Pa卸載至Pb，則應變從 < 回彈至<， 相對應的變形回彈量為fX=-A&，則公式（4)、公式（5)的增量方程為：anAP=C^j/Ae^.(an,iG(1,3)) (6) pa_pb=Ap 公式（6)計算得到三個Biot系數an,a22,a33。
2. 如權利要求1所述的測定參數的方法，其特征在于：對于三軸試驗，將三軸試驗試件 由圓柱體改為六面體，用于研宄各向異性材料特性。
3. 如權利要求2所述的測定參數的方法，其特征在于：包括如下步驟 (2. 1)對于假三軸采用六面體50mmX50mmX100mm試件試驗，首先施加靜水壓力〇n= 0 22= 0 33= 0H，靜水壓力和初始應變eiiH的關系為 0iiH=ciijj0ejj-i.jGd. 3) (7) 式中，Ciij/1為初始剛度矩陣； (2. 2)施加偏應力q，q= 〇 n+〇 nH_ 〇nH，當施加偏應力大于比例極限應力qYield時，線 性應力-應變關系表示為 〇 n+〇 nH=Cnjjbej.j (8) 〇 nH=ejj, iG(2,3),jG(1,3) (9) 式中，C_b為超過屈服極限應力空間后的剛度矩陣； 對于超過屈服極限應力空間的應力狀態的材料參數，以卸載曲線直線段計算得 到其大小，且卸載至靜水壓力趨近于零，利用公式⑶計算得到Cimb，C1122b，C1133b， 利用公式（9)計算得到C2222b，C2233b，利用假三軸試驗具有的特點。22 H=。33H，亦即 C22iibeii+C2222be 22+C2233be 33=C3311ben+C3322be22+C3333be33,計算得到c3333b;由剛度矩陣的對 稱性可知C2211 =C1122，C2233 =C3322，C3311 =C1133，同時校核C2211，C3311，C3322，即計算得到/、 個材料參數，校核三個材料參數；在材料為完全各向同性，亦即
時，計算得到體積模量Cv，
：或者三向同時等量卸載時，計算得到l/cv; (2. 3)對于孔隙連通材料，在飽和條件下，靜水壓力施加完畢后，關掉閥門，實施非排水 試驗，假設Bishop有效應力存在，則公式（8)、公式（9)表述如下 0H+ 0nH-anP=CnjJbejj (10) 0ii11-anp=ejj,iG(2, 3),jG(1, 3) (11) 在飽和條件下獲得材料剛度參數Cm/的條件下，利用公式（10)、公式（11)，在外加應 力〇⑴iG(1，3)恒定，對非排水試驗的水壓力從Pa卸載至Pb，則應變e"從 < 回彈至<， 相對應的變形回彈量為<-￥=-A&，則公式（10)、公式（11)的增量方程表述為a nAP = C^j/A e ^.(an,i G (1,3)) (12) pa_pb= Ap 計算得到三個Biot系數an,a22,a33。
4.如權利要求2所述的測定參數的方法，其特征在于：包括如下步驟 (3. 1)對于傳統假三軸圓柱體05OmniX100mm試件試驗，首先施加靜水壓力〇n= 0 22= 0 33= 0H，靜水壓力和初始應變關系為 °iiH=ciijj〇ejj-i-JGd- 3) (13) 式中，Ciij/1為初始剛度矩陣； (3. 2)施加偏應力q，q= 0 n+0 nH_ 0nH，當施加偏應力大于比例極限應力qYield時，線 性應力一應變關系表示為： 〇 n+〇 nH=CnjJbe" (14) n h-r1 bp 。H-。H /-i j-\ u 22 - ^ 22jj c jj? u 22 - u 33 V丄。/ 式中，C_b為過屈服極限應力空間后的剛度矩陣； 對于超過屈服極限應力空間的應力狀態的材料參數，以卸載曲線直線段計算得到其 大小，且卸載至靜水壓力趨近于零，利用公式（14)計算得到Cimb，C1122b，利用公式（15) 計算得到C2222b，利用剛度矩陣的對稱性C2211b=C1122b，C2233b=C3322b，C3311b=c1133b和傳統 假三軸試驗測量變形的方式特點，則有。22H= 〇 33H和e22=e33，C2211b=C3311b，亦即 C22iibeii+C2222be 22+C2233be 33=C3311ben+C3322be22+C3333be33,則有c2222b=C3333b;即計算得到 三個材料參數；在材料為完全各向同性時，
，計算得到體積模量 cv，
：或者三向同時等量卸載時，計算得到l/cv; (3. 3)對于孔隙連通材料，在飽和條件下，靜水壓力施加完畢后，關掉閥門，實施非排水 試驗，假設Bishop有效應力存在，則公式（14)、公式（15)表述如下： 0H+ 0nH-anP=CnjJbejj (16) 0ii11-anp=ejj,iG(2, 3),jG(1, 3) (17) 在飽和條件下獲得材料剛度參數Cm/的條件下，利用公式（16)、公式（17)，在外加應 力〇ii，ie(1，3)恒定，對非排水試驗的水壓力從Pa卸載至Pb，則應變￡"從< 回彈至<， 相對應的變形回彈量為= 則公式（16)、公式（17)的增量方程表述為：anAP=C^j/Ae^.(an,iG(1,2)) (18) pa_pb= Ap 計算得到二個Biot系數an,a22。
5.如權利要求1所述的測定參數的方法，其特征在于：比例極限屈服面隨著損傷的增 加而下降，直至與殘余強度屈服面相聯系，具體表達式為產161<1(〇5"61<1)產(0)=(： 〇11^，式中， fyi?（〇yield)為屈服應力空間，fD(D)為損傷變量（D)函數，C〇nst為常數，亦即屈服應力空 間與損傷變量函數之積為常數。
【專利摘要】本發明提出了一種靜水壓力卸載法測定應力應變全過程材料參數的方法，針對加卸載循環試驗，在假設僅偏應力對試件產生損傷的條件下，得出對靜水壓力實施卸載的試驗方法決定不同應力應變階段的材料參數。發明針對真三軸，對六面體孔隙連通試件，可以決定9個力學參數，對非孔隙連通試件，可以決定6個力學參數。針對傳統三軸試驗，采用六面體孔隙連通試件，可以決定9個力學參數，對非孔隙連通試件，可以決定6個力學參數。并提出了具體表達式和試驗方法。對于具有損傷的地質材料，屈服極限應力空間隨著損傷的演化而變化，并提出了表達式，對于循環力學行為的模擬，不考慮其殘余應力的影響是不適宜的。
【IPC分類】G01N3-00
【公開號】CN104568572
【申請號】CN201510086169
【發明人】盧應發, 劉德富
【申請人】湖北工業大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年2月17日